Rechnergestützte Entwicklung räumlicher

Rechnergestützte Entwicklung
räumlicher optomechatronischer
Baugruppen
M.Sc. Jochen Zeitler
Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke
Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung
und Produktionssystematik
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
© FG - Optische AVT für 3D-Baugruppen
Das Teilprojekt soll die rechnergestützte Entwicklung
räumlicher optomechatronischer Baugruppen
ermöglichen.
 Stand der Technik und Forschungsbedarf
 2D OCAD Systeme
 Integration von Mechanik, Elektrik, Optik
 Design und Raytracing
 Entwicklung eines 3D-OCAD Systems
 Funktionalitäten und Bedienoberflächen
 Herausforderungen und Datenaustausch
 Zusätzliche Anforderungen
 Bauelementbibliotheken
 Integration domänenspezifischer Funktionalitäten
 CAD als Bindeglied zur Fertigung und Simulation
 Zusammenfassung
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Die Untersuchung von optischen Datenmodellen und
Software-Funktionalität ist für das Design und die
Simulation der räumlichen Baugruppen notwendig.
Stand der Technik
 Integrierte Design- und Layoutfunktionen für
räumliche elektronische Baugruppen
 Bekannte Herstellungs- und Designregeln für
die Layout-Gestaltung von räumlicher
Elektronik
 Verfügbare Design- und
Simulationswerkzeuge für
2D-opto-elektronische Baugruppen
Notwendige Forschung
 optisches Modell für 3D-CAD mit Parametern
wie z.B. Signal- und
Kopplungswirkungsgrade, Brechungsindizes
 Simulationsmodell für räumliche
optomechatronische Baugruppen
 Wissen zur Korrelation zwischen
Designregeln von 3D-opto-MID, Simulation
und Fertiungsprozessen
Zusammenführung von 3D-Design und optischer Simulation
Design von 3D-MID
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Berechnung der Strahlausbreitung
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Derzeit bieten herkömmliche OCAD Systeme nur die
Funktionalität planare optoelektronische Schaltungen
zu entwerfen.
Funktionalität konventioneller OCAD Systeme
Optische Bauteilbibliothek
 Bereitstellung von optoelektronischen Bauteilbibliotheken
 manuelles Routing zwischen den Komponenten
 Erstellen von optoelektronischen Netzlisten
 Wellenformanalyse
 Modellieren des thermischen Verhaltens der Schaltungen
 Funktionssimulation der optischen Schaltung
Schaltplanentwicklung
DC
Wellenformanalyse
Bragg-mirror
source laser
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Source: optiwave.com
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3D-MCAD
Logische Entwicklung
Komponentenbibliothek
Funktionssimulation
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Gehäusekonstruktion
Produktmodellierung
FEM Simulation
Materialdefinition
NC Programmierung
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
Teileplatzierung
Geometrische Gestaltung
Raumdefinition

Nicht-sequentielles
Raytracing
Dämpfungsberechnung
Monte-Carlo
Streuungsanalyse


DRC / MRC



O-CAD
O-CAE
Eine neuartige Systematik ist notwendig um die
vielfältigen Funktionalitäten aus Konstruktion und
Entwicklung zu vereinen.
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O-CAD
O-CAE
Eine neuartige Systematik ist notwendig um die
vielfältigen Funktionalitäten aus Konstruktion und
Entwicklung zu vereinen.
Opto-mechatronisches CAD
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
Logische Entwicklung
Komponentenbibliothek
Funktionssimulation

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
Teileplatzierung
Geometrische Gestaltung
Raumdefinition
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
Opto-MID spezifische Parameterdefinition
3D Platzierung und Routing
3D opto-MID-spezifische Design-Rule Checks
Schnittstelle für CAE/CAM Werkzeuge
Ableitung von Fertiungsrelevanten Informationen
Gehäusekonstruktion
Produktmodellierung
FEM Simulation
Materialdefinition
NC Programmierung
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


Nicht-sequentielles
Raytracing
Dämpfungsberechnung
Monte-Carlo
Streuungsanalyse
DRC / MRC
3D-MCAD
Integriertes
opto-MIDSystem
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Das Teilprojekt gliedert sich in Konstruktion und
Validierung mittels Raytracing Simulation.
Spezifikation
Layout
Schaltplan
Platzierung
Logisches Design
Physikalisches Design
Verbinden
Teilprojekt - Design
Design-Regel Prüfung
Physikalische
Analyse
Export optisches Modell
Teilprojekt - Simulation
Optische Simulation
Re-Import des
Simulationsmodells in 3D-CAD
Darstellung der Ergebnisse
Ausleitung von CAM-Daten
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Die Raytracing Simulation erlaubt die Berechnung
nicht-sequenzieller Strahlausbreitung.
RAYTRACE
Sequentielles Raytracing
 Definition von Oberflächen: Ebene, Sphären, Zylinder,
Polynome, benutzerdefinierte Schnittstellen
 Auswahl Materialien / Zuweisung Brechungsindizes
 Verfolgen diffraktiver optischer Elemente und Anordnungen
Nicht-sequentielles
Raytracing
 sequentielles oder nicht-sequentielles Raytracing
 Berechnung und Visualisierung von Punktdiagrammen,
Wellenaberrationen ,Modulationsübertragungsfunktionen ,
Point-Spread-Funktionen
Oberfläche
Material
Optische
Achse
Parameter
Profilflächen
lateral surface
Querschnitt
Strahlausbreitung
Aktuelle
Position
Strahlverteilung
Rauhigkeitsfaktor
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Über das Design der optomechatronischen
Baugruppe werden alle Teilbereiche der
Produktionskette abgebildet.
Wellenleiter
Räumlicher
Schaltungs‐
träger
Cladding
Wellenleiter
Konditionierte Folien
Koppler
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Flexible
Verbindung
Optischer
Transisto
r
 Hoch integriertes
optisches Netzwerk
 optische und mechanische Bauteile
 Gedrucktes optisches
Netzwerk
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Durch spezielle Benutzeroberflächen können
optische Notwendigkeiten abgedeckt werden.
Allgemeine
Funktionalitäten
Schnittstelle
zu Raytrace
Datenbank
Keep-Out
Flächen
Import
Netzlisten
Angepasster
Browser
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Informationen über
Komponenten
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Durch Anpassungen in bestehenden CAD Systemen
können bewährte Funktionalitäten genutzt und neue
Anwendungslösungen geschaffen werden.
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Durch Parametrisierung der Wellenleiter wird das
Raytracing vorbereitet.
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Zur Kommunikation zwischen optischer Simulation
und mechatronischer Konstruktion müssen
Schnittstellen geschaffen werden.
XML Schnittstellenebene
Räumliches und optisches Design
Segment
Geometrie
(z.B. Länge)
Profil Geometrie
Layout der
optischen Schaltung
Foliensubstrat
Wellenleiter
optische
Parameter
 Lichtquelle
 Einfallwinkel
 Medium
Schaltungsträger
Schaltung
Optische
Komponenten
Objektorientiertes
C++ Modell
Cladding
Lichtquelle
Mechanische
Parameter
 Segmentgeometrien
 Profilgeometri
en
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… die beispielsweise auf der Beschreibungssprache XML
basieren um notwendige Daten aus dem CAD in die optische
Simulation zu überführen.
XML Schnittstellenebene
Objektorientiertes
C++ Modell
RAYTRACE Simulation
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Abzubildende Teilbereiche, welche für die
Entwicklung eines optomechatronischen CAD
Programms wichtig sind.
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




Sendedioden
Empfangsdioden
Transceiver
Stecker
Filter
Schalter
Abschwächer
Phasenwandler
 Physikalische Grundlagen
 Grundlagen der
Signalausbreitung im
Lichtwellenleiter
 Grundlagen der optischen
Datenübertragung
Physikalische
Aspekte
optische /
elektrische
Komponenten
Optische
Einflüsse
 Faserleiter
 Integriert optische
Wellenleiter
 Kopplung Verzweigungen
 Zulässiger Kurvenradius
Verbindung/
Routing
Fertigung und
Produktion
Analyse und
Simulation




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 Verschiedene Herstellverfahren
 Strukturerzeugung auf einer
Leiterplatte
 Industrielle Herstellung
 Vorhandene CAD Programme
Dämpfungsauslegung
Leistungsbilanzrechnung
Simulation der
Übertragungsstrecke
Simulation der Lichtausbreitung
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Durch das Teilprojekt Design werden wesentliche
Anforderungen für die anderen Teilprojekte
abgedeckt.
TP 1: Druckschablonen
TP 2: NC Datengenierung
TP 4: Simulation
TP 3: Optische Parameter
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Die Entwicklung einer ganzheitlichen EngineeringKette ermöglicht die Erstellung von 3D-gedruckten
optischen Wellenleitern.
Entwicklung von
CAM Schnittstellen
Integration von Hilfsfunktionen
für die Prozessplanung
Rückkopplung der
Simulationsergebnisse
Aktueller Stand
Entwicklung einer CAE
Schnittstelle
Integration optischer
Parameter
3D
Konstruktion
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Vielen Dank!
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